Умеренно-температурное осаждение RF-магнетронного распыления SnO2

Sep 23, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9100 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Перовскитные солнечные элементы (PSC) по-прежнему сталкиваются с двумя основными проблемами: стабильностью и масштабируемостью, необходимыми для удовлетворения требований их потенциальной коммерциализации. Поэтому разработка однородной, эффективной, высококачественной и экономичной тонкой пленки слоя транспорта электронов (ETL) для достижения стабильного PSC является одним из ключевых факторов для решения этих основных проблем. Магнетронное напыление широко используется благодаря высококачественному нанесению тонких пленок, а также способности равномерно наносить пленки на большую площадь в промышленном масштабе. В этой работе мы сообщаем о составе, структурном, химическом состоянии и электронных свойствах среднетемпературного радиочастотного (РЧ) распыления SnO2. Ar и O2 используются в качестве газов плазменного распыления и реактивного газа соответственно. Мы демонстрируем возможность выращивания высококачественных и стабильных тонких пленок SnO2 с высокими транспортными свойствами методом реактивного ВЧ-магнетронного распыления. Наши результаты показывают, что устройства PSC на основе напыленных SnO2 ETL достигли эффективности преобразования энергии до 17,10% и среднего срока службы более 200 часов. Эти однородные напыленные тонкие пленки SnO2 с улучшенными характеристиками перспективны для изготовления крупных фотоэлектрических модулей и современных оптоэлектронных устройств.

The performance and cost-effectiveness fabrication of the perovskite solar cells (PSCs) are the two main assets which are increasingly attracting academic and industrial attention. Certified Power Conversion Efficiency (PCE) for the best solar cell efficiency has shown a 25.7% for PSCs as achieved by UNIST1. Focus is put nowadays on the PSCs commercialization2, and this aim is still facing two main challenges, namely a descent device operational-stability and the fabrication scalability. The stability of the PSCs has been the cornerstone of extensive research and development over the last years. Nevertheless, this research effort has been found to be one of the most complex physico-chemical issues that involves multiple factors and various physical phenomena. These issues are also a subject of the device configuration and materials’ characteristics. In fact, the device stability can directly be affected by the electrode material and its characteristics (work function, dimensions, etc.)3, electron transport layer (ETL) and hole transport layer (HTL) properties4,5, the nature of the interface between the absorber-perovskite layer and the charge transport materials6, and indeed, the stability of the perovskite material itself7. In 2016, Ahn et al.8 proposed that the ETL based on TiO2 is among the most responsible factors for the light-induced degradation in PSCs. This suggestion was also supported by the research outcome of Qiu et al.9. On the other hand, SnO2 as ETL has demonstrated its capability to replace the conventional TiO2 due to the fact that a PCE of more than 21% has been already achieved using SnO2 ETL10. SnO2 shows several benefits over TiO2, including a higher electron mobility and an excellent energy level matching11. More importantly, SnO2 as ETL is highly efficient against the perovskite solar cells degradation, which is induced by TiO2 ETL, thereby considerably improving the device operational lifetime under continuous light illumination at the maximum power point. In this context, Christians et al. 1000 hour operational stability. Nat. Energy 3(1), 68–74 (2018)." href="/articles/s41598-023-35651-1#ref-CR12" id="ref-link-section-d47606354e497"> 12 недавно продемонстрировали гораздо более длительный срок службы неинкапсулированных перовскитных солнечных элементов на основе SnO2 в качестве ETL по сравнению с TiO2. С другой стороны, вторая большая проблема связана с масштабируемостью производства PSC для достижения масштаба модуля (т.е. перовскитных солнечных модулей (PSM)), сохраняя при этом производительность, аналогичную PSC небольших площадей2. С появлением крупномасштабных процессов выращивания тонких пленок для изготовления PSC количество сообщений, связанных с PSM, резко возросло13. Например, Грин и др. сообщили о PCE 16% при площади апертуры (AA) 16,29 см214, а Chen et al. достигли сертифицированного PCE 12,1% с большей АА 36,1 см215. Другие ключевые параметры связаны с экономической эффективностью и крупномасштабными процессами осаждения ETL2. В настоящее время большинство ПСМ основаны на TiO2 в виде ETL, что требует высокой температуры обработки. TiO2 также является источником многих проблем нестабильности16 из-за его относительно более высокого сопротивления и дорогостоящего метода лазерного нанесения рисунка, который часто используется для удаления покрытия TiO2 с путей соединения между субэлементами17. Это необходимо для того, чтобы избежать увеличения значения последовательного сопротивления, тем самым снижая общую производительность PSM18.